高中物理竞赛辅导讲义：原子物理

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高中物理竞赛辅导讲义原子物理

原子物理自1897年发现电子并确认电子是原子的组成粒子以后，物理学的中心问题就是探索原子内部的奥秘，经过众多科学家的努力，逐步弄清了原子结构及其运动变化的规律并建立了描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系——量子力学。

本章简单介绍一些关于原子和原子核的基本知识。

§1.1 原子1．1．1、原子的核式结构1897年，汤姆生通过对阴极射线的分析研究发现了电子，由此认识到原子也应该具有内部结构，而不是不可分的。

1909年，卢瑟福和他的同事以α粒子轰击重金属箔，即α粒子的散射实验，发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数发生偏转，并且有极少数偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转几乎达到180°。

1911年，卢瑟福为解释上述实验结果而提出了原子的核式结构学说，这个学说的内容是：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间里软核旋转，根据α粒子散射的实验数据可估计出原子核的大小应在10-14nm 以下。

1、1．2、氢原子的玻尔理论 1、核式结论模型的局限性通过实验建立起来的卢瑟福原子模型无疑是正确的，但它与经典论发生了严重的分歧。

电子与核运动会产生与轨道旋转频率相同的电磁辐射，运动不停，辐射不止，原子能量单调减少，轨道半径缩短，旋转频率加快。

由此可得两点结论：①电子最终将落入核内，这表明原子是一个不稳定的系统； ②电子落入核内辐射频率连续变化的电磁波。

原子是一个不稳定的系统显然与事实不符，实验所得原子光谱又为波长不连续分布的离散光谱。

如此尖锐的矛盾，揭示着原子的运动不服从经典理论所表述的规律。

为解释原子的稳定性和原子光谱的离经叛道的离散性，玻尔于1913年以氢原子为研究对象提出了他的原子理论，虽然这是一个过渡性的理论，但为建立近代量子理论迈出了意义重大的一步。

2、玻尔理论的内容：一、原子只能处于一条列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。

2020版高考物理教科版大一轮复习讲义：第十二章第2讲原子和原子核

第2讲原子和原子核一、原子物理 1.原子的核式结构(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型. (2)α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”，如图1所示.图1(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动. 2.氢原子光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱. (2)光谱分类(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R (122－1n2)(n ＝3,4,5，…，R 是里德伯常量，R ＝1.10×107m －1). (4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高.在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义. 3.玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量.(2)跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝E m －E n .(h 是普朗克常量，h ＝6.63×10－34 J·s)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的.4.氢原子的能量和能级变迁(1)能级和半径公式：①能级公式：E n＝1n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV.②半径公式：r n＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m.(2)氢原子的能级图，如图2所示图2自测1(多选)如图3所示为α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是()图3A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些C.放在C、D位置时，屏上观察不到闪光D.放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少答案ABD解析根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，A、B、D正确.自测2一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子()A.放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少C.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少答案 B二、天然放射现象和原子核1.天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构.(2)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同.②应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等.③防护：防止放射性对人体组织的伤害.2.原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电.(2)基本关系①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝原子的核外电子数.②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数.(3)X元素的原子核的符号为A Z X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数.3.原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变①原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变.②分类α衰变：A Z X→A－4Y＋42HeZ－2β衰变：A Z X→AY＋0－1eZ＋1当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射.③两个典型的衰变方程α衰变：23892U→23490Th＋42Heβ衰变：23490Th→23491Pa＋0－1e.(2)半衰期①定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.②影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系.(3)公式：N 余＝N 原·(12)tτ，m 余＝m 原·(12)tτ.4.核力和核能(1)原子核内部，核子间所特有的相互作用力.(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm ，其对应的能量ΔE ＝Δmc 2.(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm ，吸收的能量为ΔE ＝Δmc 2. 自测3 (2018·全国卷Ⅲ·14)1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝核2713Al ，产生了第一个人工放射性核素X ：α＋2713Al →n ＋X.X 的原子序数和质量数分别为( ) A.15和28 B.15和30 C.16和30 D.17和31答案 B解析将核反应方程式改写成42He ＋2713Al →10n ＋X ，由电荷数和质量数守恒知，X 应为3015X.命题点一玻尔理论和能级跃迁1.定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n )――→跃迁高能级(m )→吸收能量. hν＝E m －E n(2)从高能级(m )――→跃迁低能级(n )→放出能量. hν＝E m －E n . 2.电离电离态与电离能电离态：n ＝∞，E ＝0基态→电离态：E 吸>0－(－13.6 eV)＝13.6 eV . 激发态→电离态：E 吸>0－E n ＝|E n |.若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能.例1 (多选)(2018·湖南省永州市三模)如图4所示是玻尔为解释氢原子光谱画出的氢原子能级示意图.大量处于n ＝3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，设普朗克常量为h ，下列说法正确的是( )图4A.能产生3种不同频率的光子B.产生的光子的最大频率为E 3－E 1hC.当氢原子从能级n ＝2跃迁到n ＝1时，氢原子的能量变大D.若氢原子从能级n ＝2跃迁到n ＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n ＝3跃迁到n ＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E 3－E 2 答案 ABD解析根据C 2n 可得从n ＝3能级向低能级跃迁能产生C 23＝3种不同频率的光子，A 正确；产生的光子有最大能量的是从n ＝3能级向n ＝1能级跃迁时产生的，根据公式hν＝E 3－E 1，解得ν＝E 3－E 1h ，B 正确；从高能级向低能级跃迁，释放光子，氢原子能量变小，C 错误；若氢原子从能级n ＝2跃迁到n ＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n ＝3跃迁到n ＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E km ＝hν－W ＝(E 3－E 1)－(E 2－E 1)＝E 3－E 2，故D 正确.变式1 (多选)(2018·山东省烟台市上学期期末)如图5，一群处于n ＝5能级的氢原子在向n ＝1的能级跃迁的过程中( )图5A.放出4种频率不同的光子B.放出10种频率不同的光子C.放出的光子的最大能量为13.06 eV ，最小能量为0.66 eVD.放出的光子有的能使逸出功为13 eV 的金属发生光电效应现象答案 BD解析一群处于n ＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，共产生C 25＝5×42＝10种频率不同的光子，故A 项错误，B 项正确；根据玻尔理论知能级差越大，跃迁时放出的光子能量越大，故ΔE max ＝E 5－E 1＝－0.54 eV －(－13.6 eV)＝13.06 eV ，ΔE min ＝E 5－E 4＝－0.54 eV －(－0.85 eV)＝0.31 eV ，C 项错误；因ΔE max ＝13.06 eV>13 eV ，故有的光子的能量大于逸出功可以使逸出功为13 eV 的金属发出光电效应，D 项正确.变式2 (2019·四川省成都市调研)氢原子能级图如图6所示，当氢原子从n ＝3的能级跃迁到n ＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm ，下列判断正确的是( )图6A.氢原子从n ＝2的能级跃迁到n ＝1的能级时，辐射光的波长大于656 nmB.当氢原子从n ＝4的能级跃迁到n ＝2的能级时，辐射出的光子不能使逸出功为2.25 eV 的钾发生光电效应C.一个处于n ＝4的能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生6种谱线D.用能量为1.0 eV 的光子照射处于n ＝4能级的氢原子，可以使氢原子电离答案 D解析氢原子从n ＝2的能级跃迁到n ＝1的能级时，辐射光的能量大于氢原子从n ＝3的能级跃迁到n ＝2的能级时辐射光的能量，根据E ＝hcλ可知，氢原子从n ＝2的能级跃迁到n ＝1的能级时，辐射光的波长一定小于656 nm ，故A 错误；从n ＝4的能级跃迁到n ＝2的能级时辐射出的光子能量为2.55 eV ，大于金属钾的逸出功，能使钾发生光电效应，故B 错误；一个处于n ＝4的能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线，故C 错误；当处于n ＝4能级的氢原子吸收的能量大于或等于0.85 eV 时，将会被电离，故D 正确.命题点二原子核的衰变及半衰期1.衰变规律及实质 (1)α衰变、β衰变的比较(2)γ射线：γ射线经常伴随着α衰变或β衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子. 2.确定衰变次数的方法因为β衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数. 3.半衰期(1)公式：N 余＝N 原(12)tτ，m 余＝m 原(12)tτ.(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关.例2 (2017·全国卷Ⅱ·15)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为238 92U →23490Th＋42He ，下列说法正确的是( ) A.衰变后钍核的动能等于α粒子的动能 B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小 C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间 D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案 B解析静止的铀核在α衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得p Th ＋p α＝0，即钍核的动量和α粒子的动量大小相等，方向相反，选项B 正确；根据E k ＝p 22m 可知，选项A错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个α粒子不适用，选项C 错误；铀核在衰变过程中，伴随着一定的能量放出，即衰变过程中有一定的质量亏损，故衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，选项D 错误.变式3 (多选)(2018·河南省濮阳市第二次模拟)关于原子和原子核，下列说法正确的是( )A.α粒子散射实验表明，原子是可分的B.原子核发生β衰变，原子核的质子数会增加C.外界的温度越高，原子半衰期越短D.根据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射各种不同频率的光子答案 AB解析卢瑟福由α粒子散射实验提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转，即原子是可分的，A 正确；经过一次β衰变，电荷数多1，质量数不变，质子数等于电荷数，则质子数增加1个，B 正确；原子的半衰期与外界因素无关，C 错误；据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射特定频率的光子，D 错误. 变式4 (多选)(2018·广东省汕头市第二次模拟)如图7，静止的238 92U 核发生α衰变后生成反冲Th 核，两个产物都在垂直于它们速度方向的匀强磁场中做匀速圆周运动，下列说法正确的是()图7A.衰变方程可表示为238 92U →234 90Th ＋42HeB.Th 核和α粒子的圆周轨道半径之比为1∶45C.Th 核和α粒子的动能之比为1∶45D.Th 核和α粒子在匀强磁场中旋转的方向相反答案 AB解析已知α粒子为42He ，则由电荷数守恒及质量数守恒可知，衰变方程为：238 92U →234 90Th ＋42He ，故A 正确；Th 核和α粒子都带正电荷，则在题图匀强磁场中都是逆时针旋转，故D 错误；由动量守恒可得衰变后v Th v α＝m αm Th ＝4234，则Th 核和α粒子的动能之比12m Th v 2Th 12m αv 2α＝2344×⎝⎛⎭⎫42342＝4234＝2117，故C 错误；粒子在匀强磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，所以有B v q ＝m v 2R ，则R ＝m v Bq ，所以Th 核和α粒子的圆周轨道半径之比R Th R α＝m Th v Th Bq Th ∶m αv αBq α＝2344×4234×290＝145，故B正确.命题点三核反应及核反应类型1.核反应的四种类型2.(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础.如质子(11H)、中子(10n)、α粒子(42 He)、β粒子( 0－1e)、正电子( 0＋1e)、氘核(21H)、氚核(31H)等.(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向.(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒.例3(2016·全国卷Ⅱ·35(1))在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________.(填正确答案标号)A.146C→147N＋0－1eB.3215P→3216S＋0－1eC.23892U→23490Th＋42HeD.147N＋42He→178O＋11HE.23592U＋10n→14054Xe＋9438Sr＋210nF.31H＋21H→42He＋10n答案C AB E F解析α衰变是一种放射性衰变，α粒子(42He)会从原子核中射出，C项符合要求；β衰变是指自原子核内自发地放出一个电子( 0－1e)，同时原子序数增加1的过程，A、B两项符合要求；裂变是指一些质量非常大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，只有E项符合要求；聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过程，F项符合要求.变式5(2018·广西桂林市、贺州市期末联考)下列关于核反应的说法正确的是()A.23892U→23490Th＋42He是铀核的裂变B.21H＋31H→42He＋10n是核聚变反应C.核反应2713Al＋42He→3015P＋X中的X是质子D.卢瑟福发现中子的核反应方程是：42He＋147N→178O＋10n答案 B解析23892U→23490Th＋42He是衰变方程，选项A错误；21H＋31H→42He＋10n是核聚变反应，选项B 正确；核反应2713Al＋42He→3015P＋X中的X质量数为1，电荷数为零，则X是中子，选项C错误；卢瑟福发现质子的核反应方程是：42He＋147N→178O＋11H，选项D错误.变式6(2018·安徽省池州市上学期期末)有关核反应方程，下列说法正确的是()A.23892U→23490Th＋42He属于α衰变B.147N＋42He→178O＋11H是β衰变C.核反应方程21084Po→y82X＋42He中的y＝206，X的中子个数为128D.铀核裂变的核反应为23892U→14156Ba＋9236Kr＋210n答案 A解析α衰变是重核自发地放出α粒子的天然放射现象，其中α粒子是42He，故A正确；147N ＋42He→178O＋11H是发现质子的原子核人工转变，故B错误；根据质量数守恒：y＝210－4＝206，X的中子个数为206－82＝124，故C错误；铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，铀核裂变的核反应为235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n，故D错误.命题点四质量亏损及核能的计算1.利用质能方程计算核能(1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm.(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能.质能方程ΔE＝Δmc2中Δm的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”. (3)ΔE＝Δmc2中，若Δm的单位用“u”，则可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算ΔE，此时ΔE的单位为“MeV”，即1 u＝1.660 6×10－27 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用.2.利用比结合能计算核能原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能.例4(2017·全国卷Ⅰ·17)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电.氘核聚变反应方程是：21H＋21H→32He＋10n.已知21H的质量为2.013 6 u，32He的质量为3.015 0 u，1n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A.3.7 MeVB.3.3 MeVC.2.7 MeVD.0.93 MeV答案 B解析根据质能方程，释放的核能ΔE＝Δmc2，Δm＝2m H－m He－m n＝0.003 5 u，则ΔE＝0.003 5×931 MeV＝3.258 5 MeV≈3.3 MeV，故B正确，A、C、D错误.变式7(多选)(2018·云南省统一检测)原子核的比结合能随质量数的变化图像如图8所示，根据该曲线，下列判断正确的是()图8A.中等质量核的比结合能大，这些核较稳定B.21H核比63Li核更稳定C.23592U核裂变成两个中等质量的核时释放能量D.8936Kr核的比结合能比23592U核的小答案AC解析由题图可知，中等质量的原子核的比结合能大，所以中等质量的原子核稳定，故A正确；由题图可知21H核离中等质量的原子核更远，故21H核比63Li核更不稳定，故B错误；重核裂变成中等质量的核，有质量亏损，释放能量，故C正确；由题图可知，8936Kr核的比结合能比23592U核的大，故D错误.变式8(2018·河北省定州中学承智班月考)一个不稳定的原子核质量为M，处于静止状态，放出一个质量为m的粒子后反冲.已知放出的粒子的动能为E0，则原子核反冲的动能为()A.E 0B.m M E 0C.m M －m E 0D.Mm (M －m )2E 0答案 C解析放出质量为m 的粒子后，剩余质量为M －m ，该过程动量守恒，有：m v 0＝(M －m )v ① 放出的粒子的动能为：E 0＝12m v 02②原子核反冲的动能：E k ＝12(M －m )v 2③联立①②③得：E k ＝mM －m E 0，故A 、B 、D 错误，C 正确.1.在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看做静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是( )答案 C解析金箔中的原子核与α粒子都带正电，α粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A 、D 错误；由原子核对α粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件知曲线轨迹的凹侧应指向α粒子所受力的方向，B 错误，C 正确. 2.下列说法正确的是( )A.在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应B.铀元素的半衰期为T ，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化C.轻核聚变的过程质量增大，重核裂变的过程有质量亏损D.比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时一定吸收能量答案 A解析在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应，故A 正确；半衰期与温度无关，由原子核内部因素决定，故B 错误；重核裂变和轻核聚变都有质量亏损，向外辐射能量，故C错误；比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时有质量亏损，释放能量，故D错误.3.(2018·山西省晋城市第一次模拟)关于原子核，下列说法正确的是()A.原子核发生一次β衰变，该原子外层就失去一个电子B.铀235裂变方程为23592U→14456Ba＋8936Kr＋210nC.比结合能越大，原子核越稳定D.把放射性元素掺杂到其他稳定元素中，放射性元素的衰变会变慢答案 C解析原子核的β衰变过程是中子转变为质子而释放出电子的过程，核外电子没有参与该反应，选项A错误；铀235必须吸收慢中子后才能发生裂变，选项B错误；原子核的比结合能越大，原子核越难分离，原子核越稳定，选项C正确；放射性元素衰变的快慢与其物理、化学状态无关，选项D错误.4.(2018·安徽省宣城市第二次调研)下列四幅图涉及不同的物理知识，如图1所示，其中说法正确的是()图1A.图甲，卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子B.图乙，用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能C.图丙，玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的D.图丁，汤姆孙通过电子的发现揭示了原子核内还有复杂结构答案 C解析题图甲：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，得出原子的核式结构模型，故A错误；题图乙：用中子轰击铀核使其发生裂变，裂变反应会释放出巨大的核能，故B错误；题图丙：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的，故C正确；题图丁：汤姆孙通过电子的发现揭示了原子有一定结构，天然放射现象的发现揭示了原子核内还有复杂结构，故D错误.5.(2018·重庆市上学期期末抽测)关于近代物理发展的成果，下列说法正确的是()A.只要增加入射光的强度，光电效应就可以发生B.氢原子从激发态向基态跃迁时会辐射特定频率的光子C.环境温度越高，原子核衰变的速度越快D.任何核反应都遵从质量守恒定律答案 B解析发生光电效应和入射光的强度没有关系，只要大于等于金属极限频率就可以发生光电效应，故A错误；根据玻尔氢原子模型的相关理论，电子轨道和能量都是量子化的，而在“跃迁”过程中要遵循hν＝E m－E n，故只能辐射特定频率的光子，故B正确；衰变和元素本身有关，和温度无关，故C错误；爱因斯坦的质能方程表明核反应中存在质量亏损，故D错误.6.(2018·山东省烟台市上学期期末)卢瑟福提出了原子的核式结构模型，这一模型建立的基础是()A.α粒子散射实验B.电子的发现C.光电效应现象的发现D.天然放射性现象的发现答案 A7.(2019·河北省秦皇岛市质检)关于原子核，下列说法正确的是()A.比结合能越大，原子核越稳定B.一群处于n＝3能级的氢原子，向较低能级跃迁时最多只能放出两种频率的光子C.21083Bi的半衰期是5天，100克21083Bi经过10天后的质量为50克D.β衰变所释放的电子来自原子核外的电子答案 A解析原子核的比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故A 正确；由玻尔理论知氢原子的能量是不连续的，一群氢原子处于n ＝3的能级，最多只能放出三种频率的光子，故B 错误；设原来210 83Bi 的质量为m 0，衰变后剩余质量为m 则有：m ＝m 0(12)t＝100×(12)105g ＝25 g ，即可知剩余210 83Bi 的质量为25 g ，故C 错误；β衰变所释放的电子是原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子时产生的，故D 错误.8.(2018·山东省临沂市上学期期末)下列有关放射性知识的说法中正确的是( ) A.放射现象说明原子具有核式结构B.β射线与γ射线都是电磁波，但β射线穿透本领比γ射线强C.氡的半衰期为3.8天，4个氡原子核经过3.8天后就一定只剩下2个氡原子核D.238 92U 衰变成20682Pb 要经过6次β衰变和8次α衰变答案 D解析卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子具有核式结构，天然放射现象说明原子核内部是有结构的，故A 错误；β射线是电子流，不是电磁波，穿透本领比γ射线弱，故B 错误；半衰期是对大量原子核的统计规律，对于单个或者少数原子核是不成立的，故C 错误；238 92U 衰变成206 82Pb 质量数减少32，则发生8次α衰变，电荷数总共少16，但是此衰变电荷数少10，可知发生6次β衰变，D 正确.9.(2018·江西省十所省重点高中二模)下列核反应方程中，表示核聚变过程的是( )A.3015P →3014Si ＋0＋1eB.21H ＋31H →42He ＋10nC.14 6C →14 7N ＋0－1eD.238 92U →234 90Th ＋42He答案 B10.(多选)(2016·全国卷Ⅲ·35(1)改编)一静止的铝原子核2713Al 俘获一速度为1.0×107 m/s 的质子p 后，变为处于激发态的硅原子核2814Si *.下列说法正确的是( ) A.核反应方程为p ＋2713Al →2814Si *B.核反应过程中系统动量守恒C.核反应过程中系统能量不守恒D.核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和答案 AB解析根据质量数和电荷数守恒可得，核反应方程为p ＋2713Al →2814Si *，A 正确；核反应过程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B 正确；核反应过程中系统能量守恒，C 错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D 错误.11.(2018·山西省长治、运城、大同、朔州、阳泉五地市联考)氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：21H ＋31H →42He ＋X ，式中X 是某种粒子.已知：21H 、31H 、42He和粒子X 的质量分别为2.014 1 u 、3.016 1 u 、4.002 6 u 和1.008 7 u ；1 u ＝931.5 MeV/c 2，c 是真空中的光速.由上述反应方程和数据可知( ) A.粒子X 是11HB.该反应中的质量亏损为0.028 9 uC.该反应释放出的能量约为17.6 MeVD.该反应中释放的全部能量转化为粒子X 的动能答案 C解析根据核反应前、后质量数守恒和电荷数守恒，可判断X 为中子，选项A 错误；该反应中的质量亏损为Δm ＝2.014 1 u ＋3.016 1 u －4.002 6 u －1.008 7 u ＝0.018 9 u ，故B 错误；由爱因斯坦质能方程可知释放出的能量为ΔE ＝0.018 9×931.5 MeV ≈17.6 MeV ，选项C 正确；该反应中释放的能量一部分转化为粒子X 的动能，一部分转化为42He 的动能，故D 错误. 12.(2018·广东省广州市4月模拟)有一钚的同位素239 94Pu 核静止在匀强磁场中，该核沿与磁场垂直的方向放出x 粒子后，变成铀(U)的一个同位素原子核.铀核与x 粒子在该磁场中的旋转半径之比为1∶46，则( ) A.放出的x 粒子是42He B.放出的x 粒子是0－1eC.该核反应是核裂变反应D.x 粒子与铀核在磁场中的旋转周期相等答案 A解析静止的钚核沿与磁场垂直的方向放出x 粒子后动量守恒，根据动量守恒定律可知，生成的铀核和x 粒子的动量大小相等，铀核的质子数为92，根据r ＝m vqB ，则可知x 粒子的质子数为2，故为α粒子(42He)，选项A 正确，B 错误；该反应为衰变反应，选项C 错误；根据T＝2πmqB，由于铀核和α粒子的比荷不相等，故周期不相等，选项D 错误. 13.(2018·四川省雅安市第三次诊断)铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变.其衰变方程为238 92U →234 90Th ＋X ，裂变方程为235 92U ＋10n →Y ＋8936Kr ＋310n ，其中235 92U 、10n 、Y 、8936Kr的质量分别为m 1、m 2、m 3、m 4，光在真空中的传播速度为c .下列叙述正确的是( ) A.238 92U 发生的是β衰变 B.Y 原子核中含有56个中子C.若提高温度，238 92U 的半衰期将会变小D.235 92U 裂变时释放的能量为(m 1－2m 2－m 3－m 4)c 2答案 D解析根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒，知X 为氦原子核，238 92U 发生的是α衰变，故A 错误；Y 的质量数：A ＝235＋1－89－3＝144，电荷数：Z ＝92－36＝56，由原子核的组成特点可知，Y 原子核中含有56个质子，中子数为：144－56＝88个，故B 错误；半衰期与温度、压强等外界因素无关，故C 错误；由于核裂变的过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程得：ΔE ＝Δmc 2＝(m 1－2m 2－m 3－m 4)c 2，故D 正确.14.用速度大小为v 的中子轰击静止的锂核(63Li)，发生核反应后生成氚核和α粒子，生成的氚核速度方向与中子的初速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m ，质子的质量可近似看做m ，光速为c . (1)写出核反应方程.(2)求氚核与α粒子的速度大小.(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损.答案 (1)10n ＋63Li →31H ＋42He(2)711v 811v (3)141m v 2121c 2解析 (1)由题意可知，核反应方程为10n ＋63Li →31H ＋42He.(2)设中子的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得m v ＝－3m v 1＋4m v 2 由题意得v 1∶v 2＝7∶8 解得v 1＝711v ，v 2＝811v .。

高二物理竞赛辅导第五部分原子物理

高二物理竞赛辅导第五部分原子物理舟山中学唐华（2007年9月）教学目标：1.理解原子结构及发现过程.2.理解原子核的结构与变化3.体会物理学的研究方法和原子物理的研究特点教学重点:玻尔理论和原子核反应教学难点:质能方程的理解,相对论知识的理解竞赛涉及的内容:1．原子结构卢瑟福实验原子的核式结构玻尔模型用玻尔模型解释氢光谱玻尔模型的局限性原子的受激辐射激光2．原子核原子核的量级天然放射现象放射线的探测质子的发现中子的发现原子核的组成核反应方程质能方程裂变和聚变“基本”粒子 ※夸克模型3．※不确定关系 ※实物粒子的波粒二象性4．※狭义相对论爱因斯坦假设时间和长度的相对论效应相对论动量与能量P=mv=20)/(1c v vm E=mc 25．※太阳系银河系宇宙和黑洞的初步知识二、课时安排第一次内容：原子结构第二次内容：原子核三、典型问题分析第一讲原子结构一.知识结构1.卢瑟福的原子核式结构模型卢瑟福在a 粒子散射实验的基础上，建立了原子的核式结构模型．在原子的中心有个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里,电子在核外的空间绕核高速旋转．原子核所带的正电荷数等于核外电子数，即等于原子序数．核式结构的困境：根据经典的电磁理论，电子绕核运动是加速的，应不断地向外辐射电磁波,且辐射电磁波的频率(即光的频率)等于电子绕核旋转的频率．由于原子不断向外辐射能量，它的能量不断减少，电子绕核旋转的频率就会连续变化，因而原子发射光谱为连续光谱，而实际观察到的是明线光谱．同时随着能量的降低，电子轨道半径会不断缩小，最后将落到原子核上．这就不再是核式结构了．2．玻尔原子模型卢瑟福的学说虽能成功的解释α粒子散射实验，但却无法解释原子的稳定性和原子光谱是明线光谱等问题．为此1913年玻尔提出如下假设：3.根据玻尔理论，原子能级跃迁时辐射出一定频率的光子，设氢原子从量子数n 的高能级向量子数为n ˊ的低能级跃迁时，它辐射的光子的频率为υ，则氢原子中的电子可能绕核运行的轨道半径r n 和对应的能量为：式中n 为量子数，rl=0.53A 为电子第一可能轨道半径，E1=-13.6eV 为电子第一可能轨道半径对应的能量．氢原子的能级图如下3.激光的基础知识①自发辐射和受激辐射原子发光有两种：一种是自发辐射；一种是受激辐射．自发辐射：当原子吸收能量时，原子即被激发到高能级，但不稳定，它会自发地向低能级跃迁，在跃迁过程中发光，这种现象叫自发辐射．辐射出的光子的频率ν=hE E 12 (如图所示)因为光源发光是大量原子的行为，而且这些发光原子是相互独立的，无关联的，所以它们发光的频率、方向各不相同，是杂乱无章的．我们日常生活中见到的白炽灯、日光灯、煤油灯都是这种自发辐射．原子发光还有一种情况，就是当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量hν=E2-E1的光子从附近通过，在入射光子电磁场的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到E1去，这种辐射叫受激辐射．在受激辐射过程中，通过一个光子作用而得到特征完全相同的一对光子(如图所示)，而这两个光子又能激发其他原子产生受激辐射，产生四个特征完全相同的光子．这样，一个光子就能产生大量的完全相同的光子，这种现象叫光放大．这种现象在自发辐射中是没有的．所以在受激辐射中，各发光原子是相互联系的．受激辐射是形成激光的基础．这种得到加强的光就叫激光。

2020年高中物理竞赛辅导课件(原子物理基础篇)07原子核物理：原子核结构模型(共15张PPT)

29328U 23940Th24He
放射性物质放出的射线主要有三种：
1．射线：即氦原子核
4 2
H，e 贯穿本领很小，电离作用很强。
2．射线：是电子流，有较大的贯穿本领和较小的电离作用，其贯穿本领大约是射线的100倍。
3．射线：是光子流，即波长很短的电磁波，在电磁波谱上排在x射线之后，有最大的贯穿本领和最小的电离作用。
泡利认为：当放射性物质发生衰变时，除了放出粒子外，还要放出一个中性粒子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。
中微子分为两种：中微子和反中微子，~ 它们的质量完全相同，
都不带电荷，但自旋方向不同。
Q Ee E EY 由于三者之间的分配是任意的，所以粒子的能量是连续的，形成了连续谱。
假设中微子的自旋和电子一样为 1 ，则衰变前后的角动量守恒。 2
1 N0
0
Ntdt
1 N0
0
tN0et
dt
tetdt 1
0
1
T1
2
ln 2
1.44T1
2
当 t 时 N N0e1 0.37N0
放射性核素的 T1和，它们是每个核素的特征量，不同的核素差别 2
很大。我们可以根据测量的判断它属于哪种核素
例1：已知 28262Rn 的衰变常数为 2.097 106 s1，试求它的半衰期
四、衰变
原子核通过发射光子从激发态跃迁到较低能态的过程
X* X
E Ei E j h
五、放射系 1．钍( 23920T)系h 2．铀( 29328)U系 3．锕(29325U )系 4．镎( 29441P)系u ，
六、放射性衰变规律在地质考古上的应用
在考古工作中，14C 可以用来推算年代

2019年新版高中物理竞赛教学指导全套课件第二十章原子物理 (1)

32 ni2
ni 4,5,6,...
布喇开系:
(n f 4)
1

R( 1 1 ) 4 2 ni2
ni 5,6,7,...
1
普蓬德系:
(n f 5)

R( 1 1 ) 52 ni2
ni 6,7,8,...
其中巴尔末线系的部分谱线
(ni
n
3,4,5,6)

在可见光区。
n=4
帕邢系
n=3
巴尔末系
n=2
莱曼系
n=1
三、玻尔理论的局限性
1.只能计算单价电子的原子或离子光谱线
2.完全没有涉及谱线的强度、宽度、偏振性等问题 3.量子化条件的引进没有适当的理论解释玻尔理论是经典理论加上量子条件的混合物
1 R( 1 1 )

n
2 f
ni2
其中: ni n f 1, n f 2,...
R me4 1.097 107 m1
8
2 0
h
3
c
----里德伯常量
说明: R ----光谱项 n2
讨论:
(1)氢原子辐射的电磁波是线状光谱。
(2)每一条谱线的波数都可表示成为
两个光谱项之差。
(3)随着 n f 的不同取值,形成不同的
谱线系。
莱曼系: 1 R( 1 1 )
(n f 1)
12 ni2
ni 2,3,4,...
1
巴尔末系:
(n f 2)

1 R( 22

1 ni2 )
ni 3,4,5,...
帕邢系: 1 R( 1 1 )

高中物理竞赛原子物理教案

高中物理竞赛原子物理教案教学内容：原子物理
教学目标：
1. 理解原子结构和原子核的基本概念；
2. 掌握原子核的组成和性质；
3. 熟练掌握原子核的稳定性和放射性研究方法；
4. 了解核反应和核能的应用。

教学重点：
1. 原子结构和原子核的组成；
2. 原子核的稳定性和放射性；
3. 核反应和核能的应用。

教学难点：
1. 掌握原子核的结构和性质；
2. 理解核反应的基本原理。

教学过程：
一、导入：介绍原子结构和原子核的基本概念。

二、讲解：原子核的组成和性质。

1. 原子核的结构和组成：质子、中子和电子；
2. 原子核的性质：电荷数、质量数、核反应等。

三、探究：原子核的稳定性和放射性。

1. 原子核的稳定性：结合能、核力等因素；
2. 放射性的种类和性质：α、β、γ辐射。

四、活动：实验测定原子核的放射性活度。

五、拓展：核反应和核能的应用。

1. 核反应的原理和种类；
2. 核能在能源领域的应用。

六、总结：回顾本节课的重点内容，核实学生的学习情况。

教学资源：
1. 教材：高中物理教科书；
2. 实验器材：放射性测量仪器；
3. 图表资料：有关原子物理的图片和实验数据。

教学评估：
1. 课堂随堂测试；
2. 学生课后练习；
3. 实验报告和讨论。

以上是关于高中物理竞赛原子物理教案范本，希望可以帮助到您的教学工作。

祝教学顺利！。

人教版高二物理35原子物理讲义

原子物理讲义一、物理学简史概要1、普朗克通过对黑体辐射的研究提出了能量量子化的观点，从而成为量子力学的奠基人。

2、光电效应和康普顿效应证明了光具有粒子性，康普顿效应证明了光不仅具有能量还具有动量。

3、德布罗意提出了物质波的猜想，电子衍射实验证明了其猜想。

4、波恩提出了概率波的观点。

5、汤姆孙发现电子并提出了原子的枣糕模型。

6、密立根通过油滴实验测出了电子的电荷量并证明了电荷是量子化的。

7、卢瑟福通过α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型。

8、贝克勒尔发现了天然放射现象说明原子核具有复杂结构。

9、伦琴发现了x 射线。

10、卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子：14 7N ＋42He ―→17 8O ＋11H 并预言了中子的存在。

11、约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子2713Al ＋42He ―→3015P ＋10n 3015P ―→3014Si ＋0＋1e 。

12、查德威克发现中子：42He ＋94Be ―→12 6C ＋10n二、光电效应1、赫兹最早发现光电效应现象。

2、定义：照射到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出的现象。

逸出的电子叫光电子。

3、五个概念：①逸出功（0W ）：由金属板决定（对于同一金属板逸出功是定值）②最大初动能：0W hv E km -=（由频率决定）③截止频率：hW V c 0=由金属板决定截止的是电流。

也称为极限频率。

④遏制电压：0W hv E eU km c -==得：eW v e hU c 0-=由频率决定 ⑤光强（I ）：AtNhvI =光强越强光电子数量越多。

4、四条规律：①光电子的能量由入射光的频率决定与入射光的强度无关。

②每种金属都有一个极限频率当入射光的频率大于等于截止频率才会发生光电效应。

③当入射光的频率大于极限频率时，入射光的强度决定光电子的数目决定饱和光电流的大小。

④光电效应是瞬时的。

5、四类图象图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能E k 与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功：图线与E k 轴交点的纵坐标的值W 0＝|－E |＝E③普朗克常量：图线的斜率k ＝h 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压U c ：图线与横轴的交点 ②饱和光电流I m ：电流的最大值 ③最大初动能：E km ＝eU c颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压U c1、U c2②饱和光电流③最大初动能E k1＝eU c1，E k2＝eU c2遏止电压U c与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：图线与横轴的交点②遏止电压U c：随入射光频率的增大而增大③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke。

12高中物理奥赛-第十二讲原子物理

知识要点：卢瑟福实验。

原子的核式结构。

玻尔模型。

用玻尔模型解释氢光谱。

玻尔模型的局限性。

原子的受激辐射。

激光。

原子核的量级。

天然放射现象。

放射线的探测。

质子的发现。

中子的发现。

原子核的组成。

核反应方程。

质能方程。

裂变和聚变。

基本粒子。

一、原子结构人们认识原子有复杂结构是从1897年汤姆生发现电子开始的。

汤姆生通过研究对阴极射线的分析发现了电子，从而知道，电子是原子的组成部分，为了保持原子的电中性，除了带负电的电子外，还必须有等量的正电荷。

因此汤姆生提出了―葡萄干面包‖模型：正电荷部分连续分布于整个原子，电子镶在其中。

1909年卢瑟福在α粒子散射实验中，以α粒子轰击重金属箔发现：大多数α粒子穿过薄膜后的散射角很小，但还有八千分之一的α粒子，散射角超过了900，有些甚至被弹回来，散射角几乎达到1800。

1911年卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核称为原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转。

从α粒子散射实验的数据可以估计出原子核的大小约为10-15——10-14米，原子半径大约为10-10米。

原子核式结构模型较好的解释了α粒子散射实验现象，也说明了汤姆生的―葡萄干面包‖模型是错误的。

二、玻尔的氢原子理论1、巴耳末公式1885年，瑞士物理学家巴耳末首先发现氢原子光谱中可见光区的四条谱线的波长，可用一经验公式来表示：1 λ= R(122- 1n 2) n =3，4，5…… 式中λ为波长，R =1.0967758×10 7米-1称为里德伯恒量，上式称为巴耳末公式。

2、里德伯公式 1889年，里德伯发现氢原子光谱德所有谱线波长可用一个普通的经验公式表示出来： )11(122n m R -=λ式中n=m+1，m+2，m+3……，上式称为里德伯公式。

对于每一个m ，上式可构成一个光谱系：m=1，n=2，3，4……赖曼系（紫外区）m=2，n=3，4，5……巴尔末系（可见光区）m=3，n=4，5，6……帕邢系（红外区）m=4，n=5，6，7……布喇开系（远红外区）3、玻尔的氢原子理论卢瑟福的原子核式结构模型能成功地解释α粒子散射实验，但无法解释原子的稳定性和原子光谱是明线光谱等问题。

高三物理知识点详解原子物理篇

高三物理知识点详解原子物理篇原子物理是物理学中重要的一门学科，它研究的是原子的结构、性质和相互作用等内容，对于理解物质的基本组成和性质具有重要意义。

下面，我们将详细介绍高三物理中与原子物理相关的知识点。

一、原子的结构1.1 原子的组成原子是由原子核和围绕原子核运动的电子组成的。

原子核主要由质子和中子构成，质子带正电，质量与中子相近，而中子不带电。

电子带负电，质量远小于质子和中子。

质子和中子都存在于原子核内，而电子则在原子核外围的电子壳中运动。

1.2 原子的尺寸原子的尺寸通常用原子半径来表示，原子的直径约为0.1纳米（1纳米等于10^-9米），因此原子的尺寸非常微小。

1.3 原子的质量原子质量单位（amu，atomic mass unit）是描述原子质量的单位，1amu约等于质子质量。

其中，1质子质量约为1.67×10^-27千克。

原子的质量主要由原子核的质量决定，而电子的质量可以忽略不计。

二、原子的能级和谱线2.1 原子的能级原子的电子壳层由不同数量的电子能级组成。

电子能级是指电子在原子内能量不同的状态。

能级较低的电子能量较低，电子处于比较稳定的状态；而能级较高的电子能量较高，电子处于不太稳定的状态。

2.2 能级跃迁和谱线当电子从低能级跃迁到高能级时，我们称为吸收能级跃迁；当电子从高能级跃迁到低能级时，我们称为发射能级跃迁。

能级跃迁过程中，原子会发出或吸收电磁波，对应的光谱线可以用于研究原子结构和性质。

三、原子的辐射和衰变3.1 原子的辐射原子的核存在不稳定性，当原子内部存在过多或过少的中子和质子时，会导致原子核不稳定。

为了达到稳定态，原子核会通过放射性衰变或核反应释放出辐射，如α射线、β射线和γ射线等。

3.2 放射性衰变放射性衰变指的是原子核自发地改变自身核的结构和性质，使核衰变为另一种核的过程。

常见的放射性衰变方式包括α衰变、β衰变和γ衰变。

α衰变是指原子核释放出一个α粒子，即由两个质子和两个中子组成的粒子；β衰变分为β-衰变和β+衰变，分别是指原子核释放出一个电子或正电子；γ衰变是指原子核释放出γ射线。

原子物理(上课讲义1)

核式结构学说
• 从α粒子散射实验的数据可以计算出各种元素原子核的电荷，并估计出原子核的大小约为10-15——10-14m。
卢瑟福模型的意义与困难
意义：
•建立了一个与实验相符的原子结构模型; •粒子散射实验为人类开辟了一条研究微观粒子结构的新途径，以散射为手段来探测，获得微观粒子内部信息的方法，为近代物理实验奠定了基础，对近代物理有着巨大的影响; •粒子散射实验还为材料分析提供了一种手段。
玻尔的原子理论
• 定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。 • 跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一定态时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量是由这两种定态的能量差决定，即 hγ=│E初-E终│
‚而当我做出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，否则是无法得到这种数量级的任何结果的，这就是我后来提出的原子具有体积很小而质量很大的核心的想法。‛ ……卢瑟福
3、汤姆逊原子模型解释大角散射的困难
汤姆逊提出原子的布丁(pudding)模型,认为正电荷均匀分布在半径为R 的原子球体内,电子像布丁镶嵌在其中,如下左图
困难:
1、原子稳定性问题 2、原子线状光谱问题
氢原子的光谱实验规律
一．氢原子光谱的线系 1.巴尔末系
(Å )
H 6562.8 H 4861.3
n2 B 2 n 4
n 3, 4, 5,
H 4340.5
H 4101.7 H 3970.1
B 3645.6 Å
Balmer经验公式

1890年里德伯用波数改写:

物理竞赛讲义十六原子

等离子体：由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。

普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离。

电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。

这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。

等离子体和普通气体性质不同。

在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态（在绝对温度不为零的任何气体中都有一定数量的原子被电离，在气体放电过程中以及受控聚变装置产生的高温等离子体中，有大量的工作气体原子和杂质原子的壳层电子被剥离成为离子）。

基本粒子：一般指比原子核还小的物质单元。

到目前为止已发现的基本粒子有800多个，按照它们之间的相互作用性质可分为三类：强子、轻子、光子。

①强子。

一切参与强相互作用的粒子统称为强子，已发现的强子有内部结构，它们由夸克(quark)组成。

②轻子。

不参与强相互作用的重子，轻子的定义主要以相互作用划分，因为有些轻子的质量并不轻。

③光子，现在只发现一种。

基本粒子多数是不稳定的，在很短时间内会发生衰变，并且能相互转变，只有质子、电子、中微子和光子是稳定的。

基本粒子有确定的静止质量、自旋和奇异数学性质。

基本粒子有它的反粒子，一对正反粒子相遇时，会同时消失而是转化为别种粒子，这种现象叫做“湮灭”。

宇宙射线：来自宇宙空间的各种高能粒子流。

这些粒子流源于各种天体过程，如太阳表面的高能活动，超星体爆炸，脉冲星及其它恒星的高能活动等。

通常把进入大气层以前的宇宙线叫初级宇宙线，把初级宇宙线进入大气以后与大气中原子核作用而产生的射线叫次级射线。

现在已知初级宇宙线中绝大多数是带正电子质子和α粒子，还有少量的氮、氧、氖、硅、铁等较重的原子核和少量电子。

这些粒子具有很高的能量(平均为200兆电子伏特，最高可达10^21\电子伏特)，它们进入大气后与大气中的原子核发生作用使宇宙线成为天然实验室，许多高能粒子就是在宇宙线中首先发现的。

007原子物理竞赛知识简析

o
+Ze
三、原子核的衰变
原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变。原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变。衰变：粒子。（1）a衰变：放射性元素的原子核自发的放出一个粒子。）衰变放射性元素的原子核自发的放出一个a粒子
A a衰变规律为： Z 衰变规律为：衰变规律为
1、 1、 ∆B = mn − mp − m 3 H + m 3 He c
(
)
2
∆B = 0.763Mev
e 2、 E = k 、 C 2rN
fm
2
EC = ∆B
ke 2 rN = 2∆B
rN = 0.944 fm
解题思路：解题思路： 4 3 V0 = πrN 3
V = AV0
R = A rN = 208 × 0.944 fm = 5.6 fm
X→A−4 Y+4He Z−2 2
（2）衰变：原子核自发的放射电子的现象。）衰变：原子核自发的放射电子的现象。
β
β衰变规律为： A X→ZA1Y+−0e + ν 衰变规律为： Z + 1 β- 衰变
A Z
X→ AY++0e +ν Z−1 1
β+ 衰变
在衰变过程中，质量数守恒、在衰变过程中，质量数守恒、电荷数守恒
原子物理原子物理竞赛知识简析
一、波尔原子理论的基本假设：波尔原子理论的基本假设：
1、原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原、原子只能处于一系列不连续的能量状态中，子是稳定的，电子虽然做加速运动，但不向外辐射能量。子是稳定的，电子虽然做加速运动，但不向外辐射能量。这种状态称为定态。态称为定态。 2、原子从能量为E2的一个定态跃迁到能量为 1的一个定态时，、原子从能量为的一个定态跃迁到能量为E 的一个定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量为：它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量为：

高中物理原子核部分讲义

一、原子的核式结构 1.α粒子散射现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进，少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180 °.2.原子的核式结构卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了分析，于1911年提出了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转.原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数.原子的半径大约是10-10 m ，原子核的大小约为10-15m ～10-14 m. 二、玻尔的原子模型1.玻尔假说提出的背景：经典电磁理论在解释原子结构时碰上了无法克服的困难，原子为什么是稳定的？原子光谱为什么不是连续光谱？玻尔假说的贡献，就是成功解释了经典理论无法解释的这些问题.玻尔假说的核心，是引入了量子化理论，从而找到了描绘微观世界的一条重要规律.2.玻尔假说的内容：(1)轨道量子化：原子核外电子的可能轨道是某些分立的数值.(2)能量状态量子化；原子只能处于与轨道量子化对应的不连续的能量状态中，在这些状态中，原子是稳定的，不辐射能量.(3)跃迁假说：原子从一种能级向另一种能级跃迁时，吸收（或辐射）一定频率的光子，光子能量E=hν=E 2-E 1.三、氢原子能级氢原子在各个能量状态下的能量值，叫做它的能级.最低的能级状态，即电子在离原子核最近的轨道上运动的状态叫做基态，处于基态的原子最稳定.其他能级叫激发态.四、原子光谱及应用1.原子光谱：元素在稀薄气体状态下的光谱是分立的线状谱，由一些特定频率的波组成，又叫原子光谱.2.原子光谱的应用：每种元素的原子光谱都有自己的一组特定谱线，应用光谱分析可以确定物质成分.五、电子云玻尔模型引入了量子化观点，但不完善.在量子力学中，核外电子并没有确定的轨道，玻尔的电子轨道，只不过是电子出现概率最大的地方.把电子的概率分布用图象表示时，用小黑点的稠密程度代表概率的大小，其结果如同电子在原子核周围形成云雾，称为“电子云”.●疑难辨析1.氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能E k 和电势能E p 的代数和.由E n ＝21n E 和E 1＝-13.6 eV 可知，氢原子各定态的能量值均为负值.因此，不能根据氢原子的能级公式E n ＝21n E 得出氢原子各定态能量与n 2成反比的错误结论.2.原子的跃迁条件：h ν＝E 初－E 终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用而使原子电离，则不受此条件的限制.如基态氢原子的电离能为13.6 eV ，只要大于或等于13.6 eV 的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大.3.原子处于激发态是不稳定的，会自发地向基态或其他较低能级跃迁.由于这种自发跃迁的随机性，一个原子会有多种可能的跃迁.若是一群原子处于激发态，则各种可能跃迁都会发生，所以我们会同时得到该种原子的全部光谱线.●典例剖析［例1］在α粒子穿过金箔发生大角度散射的过程中，下列的哪些说法是正确的 A.α粒子一直受到金原子核的斥力作用 B.α粒子的动能不断减小 C.α粒子的电势能不断增大 D.α粒子发生散射，是与电子碰撞的结果【解析】 α粒子一直受到原子核的斥力作用，动能先减小后增大，电势能先增大后减小.α粒子的质量M 远大于电子质量m ｅ（M ＝4×1837m e )，与电子相碰后运动状态基本保持不变.所以，应选答案A.【思考】 (1)只有很少的一部分α粒子发生大角度散射的事实，说明了原子具有什么样的结构? (2)图15—1—1为该实验中金原子核和两个α粒子的径迹，哪幅图是正确的?图15—1—1(3)若将实验中的金箔改为铝箔，而其他条件不变，α粒子的散射角如何变化?【思考提示】（1）原子有一个很小的核. （2）A 图正确.（3）同等情况的α粒子的散射角将变小. 【设计意图】通过本例说明α粒子的散射规律.［例2］已知氢原子基态的电子轨道半径为r 1＝0.53×10-10 m ，基态的能级值为E 1＝-13.6 eV .(1)有一群氢原子处于量子数n =3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线.(2)计算这几条光谱线中最长的波长.【解析】 (1)由于这群氢原子的自发跃迁辐射，会得到三条光谱线，如能级图15—1—2中所示.(2)三条光谱线中波长最长的光子能量最小，发生跃迁的两个能级的能量差最小，根据氢原子能级的分布规律可知，氢原子一定是从n =3的能级跃迁到n =2的能级.设波长为λ，由ｈλc ＝E 3－E2得λ＝1983423106.1)46.1396.13(1031063.6--⨯⨯+-⨯⨯⨯=-E E hcm＝6.58×10-7m【说明】 (1)原子物理中的计算问题数据较为冗繁，运算很易出错.这里的计算问题在高考题中一般是以填空题的形式出现.所以在运算中一定既要细心又要有耐心才行，不然就可能因为最后结果有误而前功尽弃.(2)注意公式中各量的单位，计算频率、波长时，能量单位“电子伏(eV)”要化成“焦(J)”.【设计意图】通过本例说明氢原子能级及利用该能级计算氢原子从一能级跃迁到另一能级时吸收或放出光子的能量、频率、波长的方法.图15—1—2●反馈练习 ★夯实基础1.对α粒子散射实验装置的描述①主要实验器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜②金箔的厚薄对实验无影响③如果改用铝箔就不能发生散射现象 ④实验装置放在真空中以上说法正确的是 A.①② B.③④ C.①④ D.②③【解析】 α粒子散射实验是指用α粒子轰击很薄的金箔（或铝箔）物质层，通过观察α粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构的信息.为准确观察α粒子偏转情况，荧光屏和显微镜能够围绕金箔转动，且整个装置放在真空容器中.【答案】C2.在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是 A.原子的绝大部分质量和全部正电荷集中在一个很小的核上 B.正电荷在原子中是均匀分布的 C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处在一系列不连续的能量状态中【解析】由于原子的全部正电荷和绝大部分质量都集中在一个很小的核上，当α粒子穿过原子时，接近或正碰原子核的机会极少，所以只能有少数的α粒子发生大角度偏转.【答案】A3.氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是 A.电子绕核旋转的半径增大 B.电子的动能减少 C.氢原子的电势能增大 D.氢原子的能级减小【解析】氢原子辐射出一个光子是由绕核运转的电子由外层轨道向内层轨道跃迁产生的，即由高能级向低能级跃迁产生的，故A 、C 错D 对.由ke 2/rn 2＝mvn 2/rn 得：E k n =21mvn 2=ke 2/2r n ，B 错. 【答案】D4.氢原子从第4能级跃迁到第2能级发出蓝光，那么，当氢原子从第5能级跃迁到第2能级应发出 A.Ｘ射线 B.红光 C.黄光 D.紫光【解析】由于E 5－E 2＞E 4－E 2，所以该光子的能量比蓝光的大. 【答案】D5.氢原子能级图的一部分如图15—1—3所示，a 、b 、c 分别表示氢原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a 、b 、c 三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是E a 、E b 、E c 和λa 、λb 、λc ，则①λb =λa +λc②cabλλλ111+=③λb =λa ·λc ④E b =E a +Ec以上关系正确的是 A.①③ B.②④ C.只有① D.③④【解析】由玻尔理论知，E b =E a +E c,图15—1—3又因为hcabchch cλλλ+=得，ca bλλλ111+=.故②④对，选 B. 【答案】B6.用经典的电磁理论解释卢瑟福的原子核式结构，会产生的错误结论是：(1)_________，(2)_______.【答案】（1）原子应是不稳定的（2）原子光谱应为连续光谱 ★提升能力7.玻尔模型给出氢原子核外电子的两个可能轨道的半径之比为r 1∶r 2＝1∶4，则两轨道上电子的周期之比T 1∶T 2＝______，线速度大小之比为______.【解析】电子绕核运动时应有k 22224T m r e π=·r①k r v m re 222=②由①式可得T 1∶T 2＝1∶8，由②式可得v 1∶v 2=2∶1【答案】 1∶8 2∶18.欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是 ①用10.2 eV的光子照射 ②用11 eV 的光子照射 ③用14 eV 的光子照射 ④用11 eV 的电子碰撞 A.①② B.②③ C.①③④ D.②③④【解析】由原子的跃迁条件知①对，基本氢原子的电离能为13.6 eV ，只要大于或等于13.6 eV 的光子都能被氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子能量越大，原子电离后的自由电子的动能越大，故③对.对于入射粒子和原子碰撞情况，只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，也可以使原子受激发而向较高能级跃迁，故④对,应选 C.【答案】C9.已知钠的极限频率为6.00×1014 Hz ，今用一群处于n ＝4的激发态的氢原子的发射光谱照射钠，试通过计算说明，氢光谱中有几条谱线可使钠发生光电效应?【解析】钠的逸出功W =hν=6.63×10-34×6.00×1014J=2.49 eV 氢原子n =1至n =4的能级： n =1,E 1＝－13.6 eVn =2,E 2＝212E ＝-3.4 eVn =3,E 3＝21E E ＝-1.51 eVn =4,E 4＝214E ＝-0.85 eV由n =4，跃迁到n =1放出的光子的能量E 4,1＝－0.85 eV －（－13.6）eV ＝12.75 eV ＞2.49 eV 同理，E 3,1＝－1.51 eV －（－13.6）eV ＝12.09 eV ＞2.49 eVE 2,1＝－3.4 eV －（－13.6）eV ＝10.2 eV ＞2.49 eVE 4,2＝－0.85 eV －（－3.4）eV ＝2.55 eV ＞2.49 eVE 3,2＝－1.51 eV －（－3.4）eV ＝1.89 eV ＜2.49 eVE 4,3＝－0.85 eV －（－1.51）eV ＝0.66 eV ＜2.49 eV所以，处于n =4的激发态的氢原子的光谱中，只有E 4,1、E 3,1、E 2,1、E 4,2四条谱线可使钠发生光电效应.【答案】有四条谱线可使钠发生光电效应第Ⅱ单元原子核反应·核能●知识聚焦核反应虽然有成千上万，但是根据其特点可分为四种基本类型：衰变、人工转变、轻核聚变和重核裂变.一、衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变.放射性元素衰变时放出的射线共有三种：α射线、β射线和γ射线，其射线的本质和性质如下表：23892 U →23490 Th ＋42He （α衰变）23490Th →23491 Pa ＋01-e （β衰变)半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间.它表示放射性元素衰变的快慢.半衰期是由核本身的因素决定的，与它所处的物理状态或化学状态无关.不同的放射性元素半衰期不同.二、人工转变原子核在其他粒子作用下变成另一种原子核的变化称为人工转变.利用原子核的人工转变，人们发现了质子、中子，认清了原子核的结构，并且制造了上千种放射性同位素，在工业、农业、医疗和科研的许多方面得到广泛的应用.著名的方程式如：147N ＋42He →178O ＋11H （卢瑟福，发现质子）94Be ＋42He →1266C ＋10U (查德威克，发现中子)⎪⎩⎪⎨⎧+→+→+-)(e Si P nP He Al 0130143015103015422713发现正电子三、重核裂变重核裂变：是重核分裂成中等质量的核的反应过程.如：23592 U ＋10U →13654 54Xe ＋9038Sr ＋1010n.由于中子的增值使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应.发生链式反应的条件是：裂变物质的体积＞临界体积.裂变的应用：原子弹、原子反应堆. 四、轻核聚变轻核聚变是轻核结合成质量较大的核的反应过程.如：21H ＋31H →42He ＋10U.发生聚变反应的条件是：超高温(几百万度以上)——热核反应. 聚变的应用：氢弹、可控热核反应. 五、核能1.核力：为核子间作用力.其特点为短程强引力：作用范围为2.0×10-15 m ，只在相邻的核子间发生作用.2.核能：核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能.3.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E ＝mc 2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化.核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm ，这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能ΔE ＝ Δmc 2；反之，由核能也可求出核反应过程的质量亏损.●疑难辨析1.原子核既然是由质子和中子组成的，那么为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子?实际上，发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的.α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的.所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的.2.质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反应方程的重要依据，但要以核反应的事实为基础，不能仅仅根据该两条守恒定律随意书写事实上不存在的核反应方程.另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“→”连接并指示反应方向，而不能用等号“＝”连接.3.ΔΕ＝Δmc 2是计算核能的常用方法.在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算.若质量单另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能. 因而在此情况下可应用力学原理——动量守恒和能量守恒来计算核能. ●典例剖析［例1］23290 Th （钍）经过一系列α和β衰变，变成20882 Pb （铅），下列说法正确的是931.5 MeV ——该结论亦可在计算中直接应用.A.铅核比钍核少8个质子B.铅核比钍核少16个中子C.共经过4次α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变【解析】由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数为：x =4208232 =6再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y 应满足：2x -y =90-82=8所以y =2x -8=4即答案D 是正确的.【思考】（1）每发生一次α衰变或β衰变，生成的新核与衰变前的核相比在元素周期表中的位置如何变化？（2）某种放射性元素发生β衰变后，其化学性质是否发生变化？（3）如何利用磁场和电场确定α射线和β射线？【思考提示】（1）发生一次α衰变，质子数减2，产生的新核在元素周期表中向前移两位.发生一次β衰变，质子数增1，产生的新核在元素周期表中向后移一位.（2)发生β衰变后元素变成了另外一种元素，化学性质发生了变化.(3)α射线垂直进入电场后沿着电场方向偏转，γ射线垂直进入电场后，逆着电场方向偏转.α射线、β射线垂直进入磁场后，可根据左手定则确定.【设计意图】通过本例说明α衰变和β衰变的规律.［例2］已知氘核质量为2.0136 u ，中子质量为1.0087 u ，32He 核的质量为3.0150 u. (1)写出两个氘核聚变成32He 的核反应方程.(2)计算上述核反应中释放的核能.(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV 做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的32He 核和中子的动能各是多少?【解析】应用质量数守恒和核电荷数守恒不难写出核反应方程为：21H ＋21H →32He ＋10n 由题给条件可求出质量亏损为：Δm ＝2.0136 u ×2－（3.0150＋1.0087）u＝0.0035 u所以释放的核能为ΔE ＝Δm c 2＝931.5×0.0035 MeV ＝3.26 MeV.因为该反应中释放的核能全部转化为机械能——即转化为32He 核和中子的动能.若设32He 核和中子的质量分别为m 1、m 2，速度分别为v 1、v 2，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得m 1v 1－m 2v 2＝0E k1＋E k2＝2E k0＋ΔE 解方程组，可得：E k1＝41（2E k0＋ΔE ） 41×（2×0.35＋3.26）MeV＝0.99 MeV ， E k2＝43（2E k0＋ΔE ）＝43×（2×0.35＋3.26）MeV 2.97 MeV .【说明】本题是一个综合性的题目，它涉及到核反应方程的书写、核能的计算、动量守恒定律和能量守恒定律等内容，另外此类题目计算繁杂，单位换算也较多，运算过程应细心谨慎.【设计意图】通过本例说明综合应用质量方程及有关的力学规律分析计算原子核反应过程中的核能的方法.●反馈练习 ★夯实基础1.如图15—2—1所示，R 是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B ，LL ′是一厚纸板，MM ′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O 、P 两处有亮斑，则此时磁场方向、到达O 点的射线、到达P 点的射线与实验相符的有图15—2—1【解析】由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转.故D 错.α、β射线垂直进入磁场发生偏转，由左手定则知，A 、B 错.【答案】 C2.如图15—2—2所示，x 为一未知放射源，P 为薄铝箔，当x 放射源稳定时，计数器的计数率（单位时间内的接受射线的次数）稳定.现在将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，然后抽走P ，则计数器的计数率大幅上升，说明x 为A.纯β粒子放射源B.纯γ粒子放射源C.α粒子和β粒子的混合放射源D.α粒子和γ粒子的混合放射源【答案】 D3.联合国环境公署对科索沃地区的调查表明，北约对南联盟进行的轰炸中，大量使用了贫铀炸弹.贫铀图15—2—2是从金属中提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹贯穿力是常规炸弹的9倍，杀伤力极大，而且残留物可长期危害环境.下列关于其残留物长期危害环境的理由正确的是①由于爆炸后的弹片存在放射性，对环境产生长期危害 ②爆炸后的弹片不会对人体产生危害 ③铀238的衰变速率很快 ④铀的半衰期很长A.①②B.③C.①④D.②④【解析】贫铀弹主要成分为铀238，是放射性元素，且半衰期长.故①、④对，选C.【答案】 C 4.1938年美国的贝特和德国的魏扎克研究发现，太阳在高温和高速运动的条件下内部进行着热核反应.太阳里的这种热核反应现在已经能在地球上通过人工的方法来完成，那就是氢弹的制造.氢弹就是模仿太阳里热核反应制造的.其反应原理为：21H ＋31H →42He ＋10U ，使用氘(21H)和氚(31H)在极高的温度下使这两个氢原子核聚变成氦原子(42He)，并放出一个中子(10U)，同时产生数百倍于原子弹的能量①氘和氚是质量数不同、质子数相同的氢的两种元素 ②通常所说的氢元素是指11H ③11H 、21H 、31H 是氢的三种同位素，是同一元素的三种原子 ④21H 与31H 的化学性质几乎完全相同以上说法正确的是A.①②B.①③C.①④D.②③④ 【解析】同位素是指同一元素中质量数（中子数）不同的原子.【答案】 D5.一个原子核经一次α衰变和一次β衰变生成稳定的核Z ，其衰变过程为Z Y X ef cd ab −→−−→−βα，下面关系式中，正确的是①a =e +4 ②c =e③d =f -1 ④b =f +2 A.①②③ B.②③④ C.①③④D.①②④【解析】 α衰变：He Y X 42+−→−cd a b α,β衰变：e Z Y 01-+−→−ef c d β知，a =e +4,c =e ,d =f -1,b =f +1【答案】 A6.2000年8月12日，俄罗斯“库尔斯克”号多功能核动力潜艇在巴伦支海域遇难，艇上118名官兵全部葬身海底，消息传出后全世界为之震惊.该艇重达1.4×104 t ,长150 m ，属于949级（“奥斯卡级”），是对付编队航母的主要舰艇，是世界上最大的核潜艇之一.（1）该潜艇的动力来源为A.放射性元素衰变释放的能量B.中子击中铀238的人工转变放出的能量C.重核裂变释放的能量D.轻核聚变释放的能量(2)下式为核动力反应堆中的一个反应式，请完成该反应方程式：23592 U ＋10n →14360Nd+()()Zr+103n+018-e+ (中为反中微子，质量和电荷数均为零）【解析】核反应方程遵守质量数，电荷数守恒.【答案】 (1)C (2)9040Zr7.关于核力，下列说法中正确的是①原子核内每个核子只跟与它们相邻的核子间才有核力作用 ②核力既可能是引力，又可能是斥力 ③核力对核子做正功，原子核要释放核能④原子核内的某一核子与其他核子间都有核力作用 A.①③ B.②④ C.①② D.③④【解析】核力是把原子核内各核子紧紧地拉在一起的引力，故②错.核力只在2.0×10-15m 短距离起作用，所以①对④错.核力结合成原子核时，核力对核子做正功，放出一定的能量，③对，选A.【答案】 A8.匀强磁场中有一个静止的氮核147N ，被与磁场方向垂直、速度为v 的α粒子击中形成复合核，然后沿相反方向释放出一个速度也为v 的质子，则①质子与反冲核的动能之比为17∶25②质子与反冲核的动量大小之比为1∶5③质子与反冲核的动量大小之比为8∶17④质子与反冲核在磁场中旋转频率之比为17∶8 以上说法正确的是 A.①② B.③④ C.①③D.②④【解析】α粒子轰击147N 形成复合核，再释放一质子形成反冲核的过程中动量守恒，故②对，由E k =mP 22知，①对，由T =Bq m π2知④错.【答案】 A9.图15—2—3所示为云室内用α粒子轰击氮核发现质子时拍摄的照片.则______是发生核反应前α粒子的径迹，______是质子的径迹，______是新核的径迹；核反应方程为______.图15—2—3【解析】由发现质子的核反应方程：147N+42He →178O+11H 知，α粒子碰后径迹不再存在，分叉前径迹b 为α粒子碰前径迹.因氧核质量大，故其径迹短粗. 11H 质量小，故其径迹细长.所以a 为新核径迹，c为质子径迹.【答案】 b c a42H ｅ＋147N →11H ＋178O10.如图15—2—4所示为卢瑟福用α粒子轰击氮原子核实验的示意图，容器C 中充进_______，F 为铝箔，S 为荧光屏，M 为显微镜，通过显微镜，看到荧光屏上出现的闪光是______击中荧光屏产生的，容器中除了充入物质外，还有_______.图15—2—4【解析】卢瑟福发现质子的核反应方程：147N+42He →178 O+11H【答案】氮气质子放射性物质 ★提升能力11.现在科学家们正在设法探寻“反物质”.所谓“反物质”是由“反粒子”组成，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和电量，但电荷的符号相反，例如正电子就是电子的“反粒子”.据此，若有反质子存在，它的质量数应为_______，元电荷的电量是1.60× 10-19 C ，则反质子的带电量为_______.【解析】质子的质量数为1，带电量为1.6×10-19C,所以反质子的质量数为1，带电量也为1.6×10-19C,电性相反.【答案】 1 1.60×10-19 C12.铀核(23592 U)裂变生成钡（14156 Ba ）和氪（9236Kr ），已知23592 U 、14156 Ba 、9236Kr 和中子的质量分别是235.0439 u,140.9139 u,91.8973 u 和1.0087 u.（1）写出铀裂变反应方程，并计算一个铀235裂变时放出的能量；（2）我国秦山核电站功率为3×105kW ，假设铀235能够完全裂变，其中一半的核能转化为电能，以上述裂变反应来估算电站一年消耗多少铀235？【解析】（1）23592 U ＋10n →14156 Ba+9236Kr+310n,由质能方程：ΔE ＝Δmc 2可计算出一个铀235裂变放出能量为3.2×10-11 J.（2）由21MmN ×3.2×10-11 J=Pt ,m =2.3×102 kg【答案】（1）23592 U ＋10n →14156 Ba+9236Kr+310n3.2×10-11 J2）2.3×102 kg※13.在暗室的真空装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线源，从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图15—2—5所示，在与射线源距离为H 高处，水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印像纸(比一般纸厚且坚韧的涂有感光药的纸)，经射线照射一段时间后把两张印像纸显影.(1)上面的印像纸有几个暗斑?各是什么射线的痕迹?(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比?图15—2—5(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少?(已知：m α=4 u,m β＝18401ｕ，v α＝10c ，v β＝c ) 【解析】 (1)2个暗斑，分别是β、γ射线的痕迹，因这两种射线穿透性强.(2)由h =v 0t s ＝21at 2a =mqE所以s α∶s β＝5∶84(3)qBv =qE所以110==αββαv v B B【答案】（1）两个暗斑；分别是β、γ射线的痕迹（2）5∶84 (3)110 章末综合讲练 ●知识网络●高考试题一、原子结构1.（2003年新课程理科综合）下面列出的是一些核反应方程3115P →3014Si+X94Be+21H →105 B+Y 42He+42He →73Li+Z其中A.X 是质子，Y 是中子，Z 是正电子B.X 是正电子，Y 是质子，Z 是中子C.X 是中子，Y 是正电子，Z 是质子D.X 是正电子，Y 是中子，Z 是质子【解析】由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒可知选项D 正确.【答案】 D2.（2001年上海高考）卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有 A.原子的中心有个核，叫原子核B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中Ｃ.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里Ｄ.带负电的电子在核外绕着核旋转【解析】卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都是集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕核旋转，故B 错ACD对.【答案】 ACD 3.(2001年全国高考)按照玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是A.第m 个定态和第n 个定态的轨道半径r m 和r n 之比为r m ∶r n ＝m 2∶n 2B.第m 个定态和第n 个定态的能量E m 和En 之比为E m ∶E n ＝n 2∶m 2Ｃ.电子沿某一轨道绕核运动，若其圆周运动的频率是ν，则其发光频率也是νＤ.若氢原子处于能量为E 的定态，则其发光频率为ν＝hE【解析】由氢原子核外电子轨道半径公式：r n =n 2r 1知，r m ∶r n =m 2∶n 2，A 正确.氢原子的能量公式：E n =21hE 1,所以E m ∶E n =n 2∶m 2,B 正确，根据玻尔理论，只有核外电子发生能级跃迁时，才可能发射某一频率的光，所以CD 错.【答案】 AB4.(2002年广东、广西、河南高考）处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时，只发射波长为λ1、λ2、λ3的三种单色光，且λ1＞λ2＞λ3，则照射光的波长为A.λ1B.λ1+λ2+λ3C.3232λλλλ+D.2121λλλλ+【答案】 D 二、原子核5.(1999年全国高考)下列说法正确的是A.22688 Ra 衰变为22288 RU 要经过1次α衰变和1次β衰变 B.23892 U 衰变为23491 Pa 要经过1次α衰变和1次β衰变C.23290 Th 衰变为20882 Ｐb 要经过6次α衰变和4次β衰变 D.23892 U 衰变为22286 RU 要经过4次α衰变和4次β衰变。

2023高考总复习讲义—— 原子物理

专题十五原子物理一、黑体辐射与能量子（了解）1.一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，叫热辐射。

热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关。

物体在室温时，热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。

当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。

常温下我们看到的物体的颜色就是反射光所致。

一些物体在光线照射下看起来比较黑，那是因为它吸收电磁波的能力较强，而反射电磁波的能力较弱。

2.黑体：某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体叫黑体。

3．黑体辐射的实验规律①一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关．a．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加．b．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．4．★★★普朗克能量子：带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍．即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的．这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子．能量子的大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．爱因斯坦光子说：空间传播的光本身就是一份一份的，每一份能量子叫做一个光子．光子的能量为ε＝hν。

二、光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率．(2) 光电流的强度与入射光的强度成正比．(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的．(4) 光子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光的频率增大而增大．理解：（1）光照强度（单色光）光子数光电子数饱和光电流（2）光子频率ν 光子能量 ε＝hν爱因斯坦光电效应方程（密立根验证） E k ＝hν－W 0 遏制电压 U c e=E k 【例1】光电效应实验中，下列表述正确的是( )A ．光照时间越长光电流越大B ．入射光足够强就可以有光电流C ．遏止电压与入射光的频率有关D ．入射光频率大于极限频率才能产生光电子【解析】各种金属都存在着极限频率，低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时间再长都不会发生光电效应；发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比；遏止电压随入射光的频率增大而增大，故CD 选项正确．【例2】某种金属逸出光电子的最大初动能E km 与入射光频率ν的关系如图1－13所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是________．(填选项前的字母)A ．逸出功与ν有关B ．E km 与入射光强度成正比C ．当ν<ν0时，会逸出光电子D ．图中直线的斜率与普朗克常量有关【解析】由爱因斯坦光电方程E k ＝hν－W 和W ＝hν0(W 为金属的逸出功)可得，E k ＝hν－hW 00=νhν0，可见图象的斜率表示普朗克常量，D正确；只有ν≥ν0时才会发生光电效应，C错；金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错．【例3】在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为________．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做实验，则其遏止电压为________．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.【答案】h cλ0hce·λ0－λλ0λ【解析】截止频率即刚好发生光电效应的频率，此时光电子的最大初动能为零，由爱因斯坦光电效应方程E k＝hν－W0和c＝λ0ν得：W0＝h cλ0.若用波长为λ的单色光做实验，光电子的最大初动能E k＝hν－W0＝h cλ－hcλ0，设其截止电压为U，则eU＝E k，解得：U＝hce·λ0－λλ0λ.三、光的波粒二象性与物质波光电效应是指物体在光的照射下发射出电子的现象，发射出的电子称为光电子。

高中物理竞赛辅导讲义：原子物理